- •ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА
- •Е.А.КОГАН
- •Москва 2007
- •Кафедра “Прикладная и вычислительная математика"
- •Е.А. Коган
- •Москва 2007
- •1.1. Основные понятия
- •Дифференциальным уравнением называется уравнение, в которое неизвестная функция входит под знаком производной или дифференциала.
- •Обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка в самом общем виде записывается так:
- •Для дифференциальных уравнений первого порядка различают общее, частное и особое решения, а также общий, частный и особый интегралы.
- •Таким образом, общее решение дифференциального уравнения можно определить как множество всех частных решений уравнения.
- •Особым решением дифференциального уравнения называется решение, которое не может быть получено из общего решения ни при одном частном значении произвольной постоянной.
- •Часто при интегрировании уравнения первого порядка не удается найти общее решение в явном виде, а получается конечное (не дифференциальное) соотношение вида
- •Знание изоклин позволяет во многих случаях даже для не интегрируемых явно дифференциальных уравнений получить графическое решение задачи Коши и выявить характер интегральных кривых.
- •Пример. Построить методом изоклин интегральную кривую уравнения
- •Очевидно, это уравнение с разделенными переменными. Интегрируя его, получим
- •Следовательно, общий интеграл уравнения будет
- •Интегрируем полученное уравнение с разделенными переменными
- •Тогда
- •Полагаем
- •Тогда уравнение примет вид
- •Дифференциальное уравнение вида
- •В результате уравнение приводится к однородному
- •Возвращаясь к старой переменной, получим
- •Подставляя (1.14) в (1.12), получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными относительно варьируемой функции v(x), интегрируя которое, находим эту функцию.
- •В результате, общее решение уравнения (1.12) может быть представлено в виде
- •Общее решение уравнения примет вид
- •Находим произвольную постоянную C из начального условия:
- •После разделения переменных получим
- •Тогда уравнение (1.18) примет вид
- •Следовательно,
- •Уравнением Бернулли называется уравнение вида
- •Уравнение вида
- •Следовательно, его общий интеграл, а значит, и общий интеграл уравнения (1.24) имеет вид
- •Это уравнение интегрируется непосредственно n раз. При каждом интегрировании порядок уравнения понижается на единицу, и появляется произвольная постоянная. В результате общее решение уравнения будет иметь вид
- •После интегрирования получим
- •Следовательно, общее решение уравнения (2.22) будет
- •Далее ищем решение уравнения (2.21) в форме, аналогичной по структуре выражению (2.23), но произвольную постоянную в (2.23) заменяем неизвестной функцией
- •Подставляя (2.24) в (2.21), получим
- •Отсюда следует
- •и с учетом (2.14)
- •N линейно независимых частных решений линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка образуют фундаментальную систему решений этого уравнения.
- •а общее решение запишется в виде
- •Рассмотрим его реализацию для линейных дифференциальных уравнений второго порядка:
- •Подстановка (2.42) в (2.40) приводит к следующей системе дифференциальных уравнений
- •Пример. Решить уравнение
- •Определитель этой системы
- •Поэтому для определения варьируемых функций согласно (2.44) получаем дифференциальные уравнения вида
- •Интегрируя уравнения (2.49), находим
- •Подставляя (2.50) в (2.48), получим общее решение уравнения в виде
- •Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи:
- •Подставляя это решение в граничные условия, убеждаемся в том, что они удовлетворяются только при
- •Подставляя это выражение в граничные условия, получим
- •Чтобы краевая задача имела ненулевые решения, необходимо принять
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи для уравнения (2.51) при граничных условиях
- •Общее решение уравнения согласно (2.55) имеет вид
- •Вычисляем
- •Ненулевое решение ее существует тогда и только тогда, когда определитель системы равен нулю:
- •Раскрывая этот определитель, получим уравнение относительно параметра
- •корни которого являются собственными значениями задачи:
- •Уравнением Эйлера называется линейное уравнение вида
- •Пример. Решить уравнение
- •Уравнение (2.66) есть уравнение Эйлера второго порядка. Применим замену независимой переменной и производных по формулам (2.64), (2.65). Тогда уравнение примет вид
- •Его общее решение
- •Эти решения находятся методом подбора (см. выше) и имеют вид
- •Поэтому общее решение уравнения (2.67) будет
- •Пример. Решить задачу Коши для уравнения
- •Общее решение уравнения имеет вид
- •Будем искать частное решение однородной системы в виде
- •Подставляя (2.99) в (2.98), получим систему
- •Характеристическое уравнение системы будет
- •Общее решение однородной системы (2.98) запишется в виде
- •Этот метод применим к решению систем неоднородных линейных уравнений n-го порядка. Ограничимся для простоты нормальной системой двух линейных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Пусть общее решение однородной системы уравнений известно:
- •Пример. Решить систему
- •Общее решение однородной системы, согласно (2.105), имеет вид
- •Принимаем частное решение системы (2.111) в виде
- •Интегрируя эти уравнения, получим
- •Общее решение системы запишется в виде:
- •Пусть требуется решить краевую задачу для уравнения
- •Будем искать решение задачи в виде
- •Задача сводится к решению дифференциального уравнения
- •Ограничиваясь двучленным приближением, будем искать решение уравнения в виде
- •Выбранные функции удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Они линейно независимы, непрерывно дифференцируемы и удовлетворяют граничным условиям (2.125).
- •Решение методом Бубнова
- •Решение методом наименьших квадратов
- •Решение методом коллокаций
- •В результате находим
- •Операционное исчисление представляет собой своеобразный и эффективный метод решения различных математических задач, прежде всего, дифференциальных уравнений. В основе операционного исчисления лежит понятие преобразования Лапласа.
- •Согласно формулам Эйлера [7]
- •Учитывая формулу (3.3) и применяя теорему линейности, получим
- •Аналогично
- •Таблица 4
- •Применяя формулу (3.25), находим
- •Поэтому
- •то применяя теорему линейности, окончательно найдем
- •Разложение данной дроби на простейшие имеет вид
- •После приведения к общему знаменателю получим
- •Пусть дано неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами
- •Пример. Решить операционным методом уравнение
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1
- •Вариант № 1
- •Вариант № 2
- •Вариант № 3
- •Вариант № 4
- •Вариант № 5
- •Вариант № 6
- •Вариант № 7
- •Вариант № 8
- •Вариант № 9
- •Вариант № 11
- •Вариант № 12
- •Вариант № 13
- •Вариант № 14
- •Вариант № 15
- •Вариант № 16
- •Вариант № 17
- •Вариант № 18
- •Вариант № 19
- •Вариант № 20
- •Вариант № 21
- •Вариант № 22
- •Вариант № 23
- •Вариант № 24
- •Вариант № 25
- •Вариант № 26
- •Вариант № 27
- •Вариант № 29
- •ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ
- •Таблица 2
- •Таблица 3
- •ЛИТЕРАТУРА
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОБЫКНОВЕННЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ
- •УРАВНЕНИЯМ……………………………………………………… 100
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ…………… 131
101
Вариант № 1
1. Найти интегральную кривую уравнения |
y |
′ |
= y − x |
2 |
, проходящую через |
|
|
точку M (1; 2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.4xdx −3ydy = 3x2 ydy − 2xy2 dx,
3.xy′ = (3y3 + 2 yx2 )/(2 y2 + x2 ),
4.y′ = (3y − x − 4)/(3x +3),
5.(3x2 y + 2 y +3)dx + (x3 + 2x +3y2 )dy = 0.
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
|
|
|
2 |
x, |
|
|
|
π |
|
1 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
y + ytgx = cos |
|
|
|
y |
= |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
′ |
− y = −y |
2 |
(lnx + 2)lnx, |
|
y(1) =1. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
xy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
8. |
Решить уравнение y |
ctg2x + 2 y |
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
|
′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
′′ |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
′ |
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
4y |
=16y |
− |
1 |
, y(0) = |
2 / 2, |
|
||||||||||||
y |
|
y (0) =1/ 2 . |
Решить уравнения:
10.3y′′′′+ y′′′ = 6x −1,
11.y′′′−3y′+ 2 y = (4x +9) e2x ,
12.y′′′−9y′ = −9e3x +18sin3x −3cos3x,
13.y′′+9y = 9/ cos3x .
14. |
Решить краевую задачу: |
′′ |
′ |
, |
π |
|
=1. |
|||
y |
+ 2 y +5y = −2sin x , y(0) = 0 |
y |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
15. |
Найти собственные значения λ и собственные функции y |
|
задачи: |
|
||||||
|
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0, y(0) = 0 , |
|
′ |
|
|
|
|
|
y |
|
|
y (π) = 0 . |
|
|
|
|
Решить уравнения
16.x2 y′′+ xy′+ y = x,
17.y′′− x2 y = x +1,
Решить системы уравнений:
18. x2 z′− 4xz + 6 y = 0, |
19. y′+3y + z = 0, |
20. y′ = 4y − z +e3x , |
y′ = z. |
z′− y + z = 0. |
z′ = y + 2z + cos x. |
102
Вариант № 2
1.Найти интегральную кривую уравнения y′ = x2 − y, проходящую через точку M (0;1). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2.6xdx − ydy = yx2 dy −3xy2 dx ,
3.xy′ = (3y3 +10yx2 )/(2 y2 +5x2 ),
4.y′ = (5y +5)/(4x +3y −1),
5.(5xy2 − x3 )dx +(5x2 y − y)dy = 0.
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
y |
′ |
+ |
2xy= −2x |
3 |
, |
|
|
y(1) |
|
1 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
′ |
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
|
|
−12y = −(5x |
+3)y |
, |
|
y(1) = |
2 . |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
8xy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
8. |
Решить уравнение |
′′ |
|
|
|
′ |
|
|
1 |
|
|
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
+ chx |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
y cthx − y |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: y |
3 ′′ |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
|
|||||||||||
= 4(y |
−1), |
y(0) = 2 , |
2 . |
|||||||||||||||||||||||||
y |
|
|
y (0) = |
|||||||||||||||||||||||||
|
Решить уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
10 . y |
|
− y = 6x +5, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
′′′ |
′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11.y′′′−3y′+ 2 y = (4x +9) e2x ,
12.y′′′−16y′ = e2x +3cos 2x −sin x,
13.y′′−6 y′+8y = 4e2x /(1+ e−2x ).
14. |
Решить краевую задачу: |
|
′′ |
′ |
2x |
sin5x, y(0) = 0 |
, |
π |
|
=10. |
|||||
y |
|
y |
|
|
|||||||||||
− 4y + 4y = e |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
15. |
Найти собственные значения |
λ и собственные функции y |
задачи: |
|
|||||||||||
|
′′ |
+λ |
2 |
y = 0, |
′ |
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
y (0) = 0 , |
|
y (π) = 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
Решить уравнения
16.x2 y′′−2xy′+ 2 y = 4x ,
17.y′′− xy′− 2 y =1.
Решить системы уравнений:
18. |
xz |
′ |
+ z −6y = 0, |
19. |
|
|
′ |
20. |
|
′ |
= z + 2e |
x |
, |
|||
′ |
y |
= z + x, |
y |
|
|
|||||||||||
|
|
xy |
= z. |
|
|
z |
′ |
= y. |
|
′ |
|
2 |
. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
= y + x |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|